第七章 红外检测方法

1,2,3,本次课主要了解的问题,红外线的认识,红外测温仪,红外监测技术的应用,4,第七章红外监测方法,在太阳光谱中，位于红光光谱之外的区域里存在着一种看不见的、具有强烈热效应的辐射波，称为红外线。,7.1红外线的认识,一般可见光的波长为0.40.76m，红外线的波长范围相当宽，达0.761000m。,一、红外线,5,通常将红外线分为四部分：近红外:波长0.763m;中红外:波长36m;远红外:波长615m;超远红外:波长151000m。,6,二、红外线与温度的关系,1）、热辐射,2）、温度与热辐射,3）、温度与辐射波长,4）、红外辐射与温度的确定关系,7,下图是黑体的发射本领按波长和温度的分布曲线。一般物体热辐射特性与此相似。,黑体发射本领按波长和温度的分布,8,1基尔霍夫（Kirechhoff）定律物体在一定温度下，与外界处于热平衡时，单位时间内从单位面积发射出的辐射能（即发射本领）ER为ER=E0式中：物体的吸收系数；E0常数，绝对黑体在相同条件下的发射本领。,9,2斯忒藩波尔兹曼（Stefan-Boltzmann）定律物体温度越高，向外辐射的能量越多。在单位时间内，物体单位面积辐射的总能量ER为ER=T4式中：T物体的绝对温度（K）；Stefan-Boltzmann常数，=5.6710-8W/(m2K4)；比辐射率，黑体的=1，一般物体的1。3维恩（Wien）位移定律红外辐射的电磁波中包含各种波长，其辐射能谱峰值波长m与物体自身的温度T成反比，即m=2898/T(m)由上式可见，随着温度T的升高，其能谱峰值波长m向短波方向移动。,10,三、红外线辐射在大气中的传输,1、CO2对红外线的吸收带：2.7m、4.3m、11.4m,2、H2O对红外线的吸收带：1.87m、2.7m、6.7m,3、CO对红外线的吸收带：4.6m,这些气体组成的吸收屏障会使红外辐射大大衰减,11,所以红外辐射仪器避开这几个吸收带，选择以下三个波段：,1m2.5m,3m5m,8m13m,近红外:波长0.76m3m;,中红外:波长3m6m;,远红外:波长6m15m;,12,红外线电信号一、热探测器利用红外线的热效应，采用热敏器件将红外线转换为电信号。红外线热（温度）电信号热敏器件,7.2红外探测器,13,1热敏电阻型探测器热敏电阻红外探测器如图所示。,热敏电阻红外探测器（a）结构；（b）桥式测量电路,14,2热电偶型探测器（热电堆光敏器件）用多个微型热电偶串联起来，将其工作端密集地排列在很小的面积上，使入射红外线照射在工作端上，参考端则处于掩蔽场所，可以获得一定的热电势。对波长无选择性，响应频率范围宽；时间常数大，不能测快速变化的红外辐射。利用薄膜技术制作微型热电偶；适当选择窗口材料，便可得到所需的光谱范围。,15,3高莱气动型探测器利用气体吸收红外线后温度升高、体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。其结构原理如图所示。灵敏度高，性能稳定；但响应时间长，结构复杂。,气动红外探测器机构,16,4热释电型探测器热释电效应：若使某些强电介质的表面温度发生变化，在这些物质表面上就会产生电荷的变化，这种现象称为热释电效应。热释电传感器：红外辐射热（温度）电荷,17,热释电红外传感器结构如图所示。,热释电红外传感器（a）外形；（b）内部结构；（c）电路,18,热释电红外光敏元件材料，主要是压电陶瓷和陶瓷氧化物，如LiTaO3，锆钛酸铅(PZT)等。热释电红外光敏元件只能测动态信号，不能测静态信号，入射光必须调制成脉冲光进行检测。热释电红外光敏元件内阻极高（可达1013），输出电压极其微弱，则须进行阻抗变换和信号放大才能应用。热释电红外光敏元件光谱响应范围宽（0.220m），采用不同材料的滤光片作为窗口，使其光谱响应范围宽变窄，以适应不同的用途。如人体（36）红外辐射峰值波长m=9.4m，则人体热释电红外传感器的滤光片选取7.514m波段为好。,19,二、光子探测器光子探测器就是利用某些半导体材料在入射光照射下，产生光子效应，使材料电学性质发生变化，通过测量其电学性质的变化，达到测量红外辐射强弱的目的。特点：灵敏度高；响应快；探测波段窄；需在低温下工作。分类：外光电探测器（PE器件），利用外光电效应的光电管和光电倍增管；内光电探测器，光电导探测器（PC器件），光生伏特探测器（PU器件），光磁电探测器（PEM器件）。,20,1.光电导探测器（简称PC器件）利用光电导效应制成的探测器，称为光电导探测器，如图所示。光敏材料主要有：PbS，PbSe，InSb，HgCdTe等。,红外光电转换电路及信号波形M-调制盘；R-光电导电阻；RL-负载电阻,21,2光生伏特探测器（简称PU器件）利用光生伏特效应制成的探测器，称为光生伏特探测器，光敏材料主要有：InAs，InSb，HgCdTe等。3光磁电探测器（简称PEM器件）光磁电效应：当红外线照射到某些半导体材料的表面上时，材料表面的电子和空穴向内部扩散，在扩散过程中若受到强磁场的作用，电子和空穴则各偏向一边，因而产生开路电压，这种现象称为光磁电效应。利用光磁电效应制成的红外探测器称为光磁电探测器。特点：毋须致冷；响应波段达7m；时间常数小，响应快；不用加偏压；内阻极低；噪声小；稳定、可靠；灵敏度低。,22,7.3红外测温仪器,红外测温的仪器很多，就其主要工作原理可分为三种：,红外测温仪；,红外热电视。,红外热像仪；,23,一、红外测温仪,24,被测物体发出的红外线，通过光学系统聚集后，入射到红外探测器上。在红外辐射的作用下，探测器产生一个正比于辐射能量的电信号，由放大器放大和A/D转换后，在数字显示器上显示温度值。,1、红外测温的工作原理：,25,图7-1红外测温仪的组成,2、红外测温仪的组成,26,红外探测器是红外检测系统中最关键、最重要的部分，它把所接收的红外辐射变换成易于测量的电量。,滤光片滤光片可以改变入射的红外辐射通量及光谱成分，以消除或减少散射辐射或背景辐射的影响，并分出具有特定波长范围的红外辐射。,27,3、红外测温仪的分类,1）、按测温范围分：,低温点温仪：-100300；中温点温仪：600以下；高温点温仪：900以上。,2）、按其结构形式分：,固定式便携式,28,3）、按其所选择使用的波长分：,全辐射测温仪,单色测温仪,比色测温仪,29,4、红外测温仪的特点,这一特点使得远距离、高速运动或带电的目标其温度测量变得方便，而且不影响被测目标的温度分布。,2）.反应速度快辐射是次光速传播的，红外测温取决于测温仪表的响应时间，一般比依靠热平衡原理测温的仪器响应时间短两个数量级以上，可用于实时显示。,3）.灵敏度高只要目标有微小的温度差就能分辨出来，一般红外测温仪都具有0.1的温度分辨率和毫米级的空间分辨率。,4）.测温范围广根据不同要求，可以选择不同类型的仪器来实现负几十度到上千度的温度测量。,1）.非接触式测量,30,5、红外测温仪的使用方法,必须处于“热稳定状态”；防尘、防潮、防震、防过热；防止环境介质的影响；注意消除环境辐射的影响；正确进行比辐射率修正。,31,二、红外热像仪红外热像仪是利用红外成像技术，将被测物体的热图象显示到视频显示器屏幕上的装置。这种装置自问世以来，随着计算机的出现，得到迅猛的发展。现在红外热像仪种类较多，其中应用较多的是光机扫描热像仪。,红外热成像示意图,32,三、红外热电视红外热电视又称为热释电摄象管成象装置。它与光机扫描不同之处在于,前者是机械扫描,后者为电子扫描。和电视机工作原理相似,它由成像镜头,热释电摄象管、摄象机电路、显示器和温度标定电路组成。其中关键元件是摄象管。,热释电摄象管结构示意图1-热成象镜头2-热释电效应靶3-聚焦和扫描线圈4-电子束5-阴极,33,7.4红外诊断的应用,红外监测技术最早是在军事应用中发展起来的,二战期间德国使用的夜战之豹,34,红外成像的特点,1大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对35微米和814微米的热红外线却是透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口”。利用这两个窗口，可以使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到前方的情况。正是由于这个特点，热红外成像技术军事上提供了先进的夜视装备并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。这些系统在海湾战争中发挥了非常重要的作用。2物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接触温度测量和热状态分析，从而为工业生产，节约能源，保护环境等等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。,35,红外制导50年代中期，美、英、法等国相继研制成功“响尾蛇”、“火光”和“马特拉”等第一代红外制导的空空战术导弹。导弹的红外导引头采用非致冷硫化铅探测器，工作波段13微米。它只能对敌机作尾追攻击，易受阳光干扰。随着红外技术的发展，红外制导系统日益完善。60年代以后，在三个大气窗口都相继有了可供实用的红外系统，攻击方式从尾追发展到全向攻击，制导方式也有了全红外制导(点源制导和成像制导)和复合制导（红外/电视、红外/无线电指令、红外/雷达）。红外点源制导系统已广泛应用于空空、地空、岸舰和舰舰导弹等数十种战术导弹上。到90年代初，点源制导系统仍将是上述战术导弹的主要制导方式之一。红外成像制导系统的研制工作始于70年代中期，它比红外点源制导系统提供的信息丰富，具有更强的识别能力和更高的制导精度。80年代初，已在“小牛”空地导弹上使用。随着焦面阵列器件的研制成功，红外成像制导系统将进一步提高识别能力，并使导弹具有自主攻击能力。,36,夜视技术能让战场亮如“白昼”,37,北京特警手持安装H15K微光夜视瞄准镜的85式狙击步枪训练的英姿。,美国1944年研制的安装了“主动红外夜视瞄准镜”的7.62毫米M3夜视狙击卡宾枪。,全天候92式手枪及配套装置，下挂红外光点夜视投射瞄准器的国产9毫米92式手枪和与之配套使用的微光夜视眼镜。,手持安装了主动红外夜视瞄准镜的7.62毫米51毫米M14自动步枪瞄准的美军士兵。该枪是1957年装备美军的。,38,上图：88式狙击步枪,下图：ZTZ-99式坦克,39,1.火车轴箱温度检测,安放在车站外两侧，当火车通过时，探测器逐个测出各个车轴箱的温度，并把探测器输出的每一脉冲(轴箱温度的函数)输送到站内检测室，根据脉冲高低就可判断轴箱发热情况及热轴位置，以便采取措施。目前，全国铁路90%的列检所安装了轴温红外探测仪，其准确率高达99%。,热轴探测仪,40,在锻造厂里，工件在锻造之前需要在加热炉内加温到900C，其误差不得超过5C，否则会影响锻件的质量，所以控制锻件的温度是一关键问题。以往的办法是由工人目测温度，看到差不多了，把烧红的锻件取出放锻锤之下进行锻压。而现在采用红外辐射测温计，通过加热炉口可以直接对准工件的表面，可以测量出工件的温度。,2.锻造车间测量加热炉内锻件温度,41,当锻件加热到900C时，红外探测器便输出电信号，启动电动机将锻件从加热炉中由传送带送到锻锤之下进行锻压加工。这样利用红外探测器就可以对整个工作过程实现生产自动化。,42,3.航空发动机壳体红外无损缺陷主动探查,4.化工塔罐的检测,43,通过对炉窑筒体测温,可发现筒体内衬损坏脱落程度。图中发亮部位为窑内衬局部变薄。,下图为氧化铝熟料窑筒局部热像图,44,5.检查焊接质量,6.电器设备各种裸露接头的热故障的红外诊断,在电器设备中，特别是在高压输变线路中，常会出现隔离刀闸接点发热、高压断路器引线接点发热、电缆接头发热等等，这些都是故障点。检查人员可以用红外测温仪或红外热像仪将这些故障点很方便地检测出来,便及时采